電動車供電設備 (EVSE) 如何運作？

EVSE 基礎設施涵蓋了從家用電動車充電器到重型公共和車隊電動車充電站的一切。讓我們來看看 EVSE 的一些關鍵組成部分和考量事項。

充電方法

兩種常見的充電功率類型：

• 交流電 (AC)：EVSE 在連接器處提供交流電。交流電隨後在車輛內部轉換為直流電以對電池充電。
• 直流電 (DC)：EVSE 直接向電動車電池供應直流電，繞過其車載充電器。

與此互補的是用於電力傳輸的導管性質：

• 傳導式/有線充電： 這是最常見的充電選項，其中充電纜線將 EVSE 連接到電動車。
• 感應式/無線充電：它不使用插入式纜線，而是利用感應或諧振技術以電磁方式向電池傳輸能量。
• 集電弓充電: 集電弓將車輛連接到架空充電線。它用於車隊和城市環境中的電動重型車輛，在這些環境中，需要快速、自動化充電而無需手動插拔。

充電標準

充電標準是涵蓋電動車供電設備 (EVSE) 和電動車 (EV) 之間充電多個方面的綜合性框架。沒有單一的全球通用標準。相反地，存在多種全球和區域標準：

• 聯合充電系統 (CCS)： CCS 標準規定了充電參數協商、身份驗證、支付以及隨插即充 (PnC) 等進階功能。CCS 連接器支援交流和直流充電。CCS Type 1 連接器在北美很受歡迎，Type 2 則在歐洲和世界其他地區流行。
• 北美充電標準 (NACS): NACS 採用單一、精巧的連接器，可用於交流電和直流電充電。
• CHAdeMO (充電移動)： CHAdeMO 標準在日本很受歡迎，它使用兩個獨立的連接埠進行交流和直流充電。
• 國標推薦 (GB/T): 這些標準在中國很普遍。以前，它們使用獨立的交流和直流埠；然而，新的 ChaoJi 版本將使用通用埠。
• 百萬瓦充電系統 (MCS): MCS 標準可讓電動重型車輛（例如卡車和巴士）使用高功率直流電快速充電。

這些標準涵蓋以下方面：

• 電氣參數，包括充電等級、支援的電壓、電流，以及不同充電速度的功率限制
• 連接器，包括實體介面的形狀、引腳配置和機械鎖定機制
• 通訊協定，包括電動車供電設備 (EVSE) 與電動車 (EV) 之間，以及電動車供電設備 (EVSE) 與電網之間的控制訊號
• 安全機制，例如適當的接地和絕緣

充電等級

充電速度由以下說明的充電等級決定。

交流充電

汽車工程師協會 (SAE) J1772 標準中的交流充電等級已整合至 CCS：

• 1 級充電：它依賴標準的 120 伏特 (V) 交流家用插座，可提供約 1-2 千瓦 (kW) 的功率，電流為 10-16 安培 (A)。適用於小型電動自行車，不適用於電動汽車。
• 2 級充電：大多數家用充電器和公共電動車充電解決方案都使用 2 級充電器。它們在 208-240 V 交流電下運行。功率範圍為 7-19 kW，電流範圍為 32-80 A。

直流充電

CCS 規定了這五種直流電源級別：

• 低功率充電：充電功率保持在 8 kW 以下。
• 直流充電：這些 EVSE 可提供 8 kW 以上至 50 kW 的功率。
• 快速充電 (FC): 快速充電電動車供電設備 (FC EVSE) 可在至少 30 分鐘內提供 50-100 kW 的電力。
• 超快速充電 (UFC)：它們可在至少 20 分鐘內提供 100-150 kW 的功率。
• 大功率充電 (HPC): 大功率充電電動車供電設備 (HPC EVSE) 可在至少 10 分鐘內提供超過 150 kW 的電力。

這些級別和功率等級也適用於雙向充電。

百萬瓦充電系統 (MCS)

百萬瓦充電旨在用於重型電動巴士、半掛車、土方機械、航空設備，甚至是海運船舶。它涉及 1,000 V 以上的直流電壓，以及數百至 4,000 A 的電流。現有的 MCS 系統可提供 0.4-6 百萬瓦 (MW) 的功率，而未來的系統則設計為 12-24 MW。

MCS 目前規定了五種功率等級：

• MCS 1 級：1 級 EVSE 使用非冷卻充電纜線，可在 1,250 V 下提供高達 350 A 的電流。
• MCS 等級 2: 它們可使用液冷充電纜線，以 1,250 V 電壓提供高達 1,500 A 的電流。
• MCS 等級 3: 等級 3 EVSE 採用液冷技術，為充電纜線和電動車充電插座提供冷卻，以 1,250 V 電壓供應高達 3,000 A 的電流。
• 堅固型 MCS (R-MCS)： 堅固型 MCS 可在 1,500 V 電壓下提供高達 6 MW 的功率，電流可達 4,000 A。它專為採礦、航空和海事等惡劣環境而設計。
• X-MCS: 這項即將推出的標準將增強 R-MCS，以提供 12-24 MW 的功率。

EVSE 與 EV 之間的通訊

EVSE 和 EV 之間透過通訊，使用諸如 國際標準化組織 (ISO) 15118 規範 等協定，定義了如何：

• 協商充電等級
• 控制涉及交握和驗證的充電序列
• 促進智慧充電（充電時間和費率基於即時電網負載、能源價格和再生能源可用性）
• 實作具備自動化驗證與計費功能的 PnC
• 透過充電狀態報告和錯誤處理確保安全
• 安全通訊

安全機制

充電標準規定了安全機制，例如：

• 接地和絕緣，以防止電擊
• 確保僅在建立安全連線時才供電
• 偵測過電流、過電壓、短路、接地故障和異常溫度的機制，並安全地關閉電源
• 溫度監測，特別適用於高功率直流充電

電網整合

EVSE 正日益整合到智慧電網中，以實現：

• V2G（車輛對電網）用於雙向能源流
• 負載平衡
• 需求響應
• 根據電網負載和再生能源可用性進行的智慧充電

部分 EVSE 可由太陽能和其他 分散式能源供電。

為實現安全可靠的電動車充電，徹底的 EVSE 測試至關重要。EVSE 測試必須解決以下概述的方面：

• 互通性：EVSE 必須能夠成功為任何製造商或型號的每輛電動車充電，以維持消費者對電動車的信心。
• 協定符合性：許多無法操作的問題源於通訊錯誤。由於眾多的 EVSE 標準和進階功能，徹底的協定符合性測試對於確保互通性至關重要。
• 安全：電動車充電設備測試驗證關鍵安全活動，例如緊急關機及內部高壓電源的放電。絕緣電阻測試亦是重要的安全檢查項目。
• 性能：EVSE測試必須驗證其在故障狀態、極端溫度及動態電網活動下的運作表現。
• 模擬：對不同的電動車、電池、正向情境和錯誤條件進行真實模擬，可在早期階段以低成本將系統推向極限，而不會危及電動車充電設備 (EVSE) 的安裝或電動車本身。
• 自動化：測試自動化可透過數百項測試實現可重複的評估，持續驗證互通性和一致性。
• 電磁相容性 (EMC)：EVSE 輻射會干擾其他電子裝置和無線通訊。EMC 測試可確保 EVSE 始終在其預期的電磁環境中運作。
• 協定安全性：透過測試傳輸層安全性、用於 PnC 的公開金鑰基礎設施，以及用於應用層完整性和不可否認性的 XML 安全性，來驗證安全驗證和資料交換。
• 除錯： 為了進行除錯和根本原因分析，協定追蹤檢視器和中間人分析儀可觀察、擷取和解碼電動車和 EVSE 之間的通訊與電源訊號。

互通性測試採用專用測試系統和方法，以確保不同電網、EVSE 和電動車 (EV) 之間能無縫通訊和電力傳輸。讓我們在下方探討這些技術。

• 符合性測試：使用各種充電標準的官方測試案例規範進行嚴格的協定符合性驗證，可確保嚴格遵守管理充電協商的規則。測試協商和回退行為可確保與新舊電動車型號的相容性。EVSE 可以設計為支援不斷發展的標準。
• EVSE 模擬: 測試系統模擬可配置的交流或直流電動車供電設備 (EVSE)，以測試任何電動車。
• EV 模擬: 測試系統可作為通用的可配置電動車，能夠對電動車供電設備 (EVSE) 進行功能、安全和性能測試。它使用電子負載和再生電源供應器來模擬電動車行為。
• 電池模擬： 該測試系統可模擬任何電動車電池的容量、技術、充電狀態或內阻。
• 中間人測試：將測試系統放置在真實電動車和真實 EVSE 之間，以被動監測、擷取和解碼通訊和功率訊號。這使得在實際充電過程中能夠即時分析錯誤及其原因。
• 自動化測試：基於產業規範的自動化測試案例的龐大資料庫可以系統化地執行並持續驗證行為、注入修改後的參數，並設定通過/失敗條件。
• 元件級測試：車輛中的電動車通訊控制器 (EVCC) 和充電器中的供電設備通訊控制器 (SECC) 使用 通訊介面測試儀 進行單獨測試，該測試儀模擬對應的控制器並執行預設的測試案例。 

EVSE 一致性測試與功能測試之間有何差異？

EVSE 一致性測試嚴格檢查是否符合官方充電標準和通訊協定，包括其在正常、極端和錯誤條件下的行為。這是型式認可和認證的先決條件。

功能測試超越了符合性測試，可驗證 EVSE 的行為和性能是否符合使用者的預期。